0 引言

人們的生活與溫度息息相關，化學、物理、生物等學科的研究都離不開溫度。在電力、石油、化工、機械制造、冶金、大型倉儲室、農場塑料大棚甚至人們的居室里經常需要對環境溫度進行監測，并根據實際的要求對環境溫度進行控制。

隨著無線傳輸技術的發展、電子測溫技術的普及以及射頻識別技術的成熟，實時溫度監測系統與運輸過程透明化變得切實可行。射頻識別技術是一種新式的非接觸識別技術，通過射頻信號可對無源非接觸IC卡進行供電與通信，該過程中無需人工干涉并且可工作于惡劣環境，而電子測溫結果準確、可測定范圍廣，正滿足了產品生產、運輸過程中的不同需求。

本系統基于射頻識別技術設計了溫度實時無線監測系統，實現了超溫報警、溫度信息儲存和無線傳輸，對保證產品生產、運輸和存儲安全具有一定意義［1］。

1 溫度監測系統總體設計

系統功能框圖如圖1所示，該監測系統有主機和從機兩部分。從機實現溫度收集功能，并將數據發送到主機。主機則將溫度儲存，待有非接觸式RFID卡靠近時，根據按鍵指令將溫度信息從RFID卡中讀取或者將從機采集到的溫度信息寫入RFID卡，卡中相關信息則在液晶屏顯示告知用戶。如果接收到從機采集的溫度信息超出安全范圍則提供報警功能，提示用戶溫度超過安全范圍，進行緊急處理。

2 溫度監測系統硬件系統設計

2.1 主機硬件系統模塊

主控芯片采用ATMEL公司的AT89S51。AT89S51單片機是一種具有低功耗、高性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB在系統可編程Flash存儲器。合理地調配資源，以完成溫度信息接收、非接觸式IC卡的讀寫、信息顯示與報警等功能。

射頻識別讀寫芯片采用NXP公司的RC522。RC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，且支持ISO14443A的多層應用［2］。

無線收發則采用nRF24L01。nRF24L01是工作在2.4 GHz~2.5 GHz ISM頻段的、由NORDIC生產的單片無線收發器芯片。輸出功率頻道的選擇和協議的設置可以通過對SPI接口寄存器的設置實現。它幾乎可以與各種單片機芯片連接，完成對數據的無線傳送工作［3］。

2.2 從機硬件系統模塊

從機主控芯片采用TI公司的MSP430G2553。MSP430系列微型處理器具有超低功耗特性，可使溫度采集節點長時間處于工作狀態。而G2553體積小，在僅僅進行溫度采集與數據發送工作時，可以更進一步降低功耗，同時可使溫度采集節點小型化。

無線收發采用nRF24L01無線芯片。溫度檢測部分采用的是DSl8B20單線數字測溫芯片，它能在現場采集溫度數據，并將溫度數據直接轉換成數字量輸出。該傳感器測量溫度的范圍是-55℃~+125℃，測量精度為0.125℃。

3 軟件系統設計

3.1 主機軟件設計

主機系統流程圖如圖2所示。依次完成LCD、無線傳輸、射頻識別模塊的初始化，然后標志位置位，示意初始化完成。

首先對液晶屏進行初始化，接著配置無線模塊地址、主接收功能，再進行射頻識別模塊的初始化。完成初始化后，開始接收溫度信息，并將接收到的溫度信息在LCD上予以顯示。當非接觸式RFID接近射頻讀寫模塊時，將卡ID與用戶ID進行比對，如果為用戶ID則提示用戶進行按鍵操作，與此同時進行按鍵功能查詢，用戶可選擇將溫度信息寫入RFID卡，清除RFID卡中溫度信息、讀出RFID卡溫度信息。完成按鍵選擇后主控器執行相應功能，對RFID卡進行特定操作。

射頻識別模塊的工作流程圖如圖3所示。

3.1.1 射頻識別模塊初始化

射頻識別模塊核心芯片RC522可以與所有13.56 MHz類型的射頻卡進行通信，支持ISO14443A協議下的的多層應用。發送接收均集成了幀錯誤校驗（奇偶校驗、CRC），其雙向數據傳輸速率高達424 kb/s，有效距離為0~10 cm［4］。

射頻識別模塊作為本系統的核心模塊，對其的合理操作便顯得尤為重要。第一步便是初始化RC522［5］。對CommandReg低4位置位，讓RC522進入軟掉電模式進行軟復位。寫入CRC初始值。將TxControlReg配置為0x83，即配置天線TX1、TX2驅動使能，置TxAutoReg為0x40，即將其ASK設置為100%。完成基本配置后，將天線軟啟動。以上配置均正確完成時，對應引腳TX1、TX2之間存在載波能量信號。

3.1.2 射頻識別模塊的尋卡與防沖撞

首先確定所巡卡片狀態，代碼0x52對應尋感應區內所有符合14443A標準的卡［6］，而代碼0x26對應尋未進入休眠狀態的卡，將尋卡方式寫入RC522，則RC522進入尋卡階段，與此同時讀取卡信息，與對應十六進制代碼進行比對，當符合對應代碼則說明卡片已經尋到，返回卡尋到標志。卡類型與其對應的十六進制代碼如表1所示。完成尋卡后清除所有沖撞信息。將防沖突命令字0x93寫入卡中，讀取防沖撞信息即卡片ID號碼，確定無沖撞后，將CollReg寄存器最高位置1。

3.1.3 射頻識別模塊的選定卡片與驗證卡密

令RC522將Mifare_One卡卡片選定命令字0x70寫入卡中，而后將防沖撞過程中讀取到的卡片ID寫入卡中則完成卡片的選定。接著，可進行卡密驗證，按照驗證卡密模式、塊地址、密碼、卡ID的順序將對應代碼依次寫入卡中，得到成功信息則說明卡密驗證成功;否則可讀取Status2Reg寄存器，當Status2Reg寄存器最高位為1時，說明卡密驗證失敗，需重新驗證卡密。

3.1.4 射頻識別模塊的讀寫卡信息

讀數據只需將讀數據指令0x30、所讀取塊地址依次寫入卡中，然后便可讀取數據，數據最多只能讀取144字節。

寫數據同樣需要將寫數據指令0xA0、所寫塊地址寫入卡中。為確保數據寫入準確，需計算CRC值，分別將寫數據指令與塊地址所計算得出的CRC的最低位和最高位作為后兩位數據，將寫數據指令、塊地址、最低位、最高位依次寫入卡中。接著便可往卡中寫入信息。

此時射頻讀寫模塊對卡的操作均可實現。

3.2 從機軟件設計

從機軟件流程圖如圖4所示，對MSP430進行時鐘配置、IO端口配置，對無線傳輸、溫度采集模塊進行初始化。定時器每2 s觸發一次中斷，并在中斷中對溫度采集標志進行置位。等待定時器置位標志，每2 s進行一次溫度序列轉化。完成溫度轉換后，將數據壓入無線模塊待發送區域，完成數據發送。在等待定時器置位過程中處理器進入低功耗模式，以降低整個模塊功耗。

4 設計實現結果

將測量溫度與普通溫度計示數進行比對，采用朝陽、背陰、正常室內3種不同環境對整個系統模擬運行，記錄數據如表2所示。經分析處理，溫度采集誤差百分比在2%以內，系統運行準確可靠。

5 結論

本文設計了中距離溫度實時無線監測系統，同時可將溫度信息在非接觸式RFID卡中進行存儲，測溫準確可靠，提高了貨物生產、運輸過程中溫度信息的透明度。本系統可應用于貨物生產、運輸過程，實時監控生產、運輸環節溫度情況，將溫度情況實時告知管理人員，使得生產運輸過程中的溫度在安全溫度范圍之內。

責任編輯：ct